沈國慶 ，鄭東 ，王彥碧

（武漢船舶通信研究所，武漢 430205）

引言

磁懸浮列車作為現(xiàn)代軌道交通工具之一，具有快速、便捷、低耗和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景十分廣闊。磁浮列車基于電磁浮原理，通過電磁力實(shí)現(xiàn)列車與軌道之間的無接觸地浮和導(dǎo)向，再利用直線電機(jī)產(chǎn)生的電磁力牽引列車運(yùn)行。磁浮列車主要由浮系統(tǒng)，推進(jìn)系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)等三大部分組成，主要電力電氣設(shè)備包括大功率逆變器、高壓異步直線電機(jī)以及大電流電力驅(qū)繞組，涵蓋軌道交通通信信號處理、牽引制動和運(yùn)行控制等關(guān)鍵技術(shù)。

德國、日本、中國、美國、韓國是世界上目前有磁浮列車試驗(yàn)或營運(yùn)路線的國家，表1為典型磁浮列車系統(tǒng)一覽表。

近年來，研究人員主要關(guān)注高鐵等軌道交通的運(yùn)行時(shí)速和安全可靠性以及牽引變電裝置的電磁輻射特性。例如，國外學(xué)者Baranowski S等人對牽引變電所及其主變壓器從時(shí)域等效電路模擬角度完成了電磁干擾、輻射反射等電磁兼容性分析[1,2]。目前，據(jù)查證，國內(nèi)外學(xué)者研究更多的也是磁懸浮列車的運(yùn)行時(shí)速、穩(wěn)定性和安全性，對磁懸浮列車在正常行進(jìn)過程中對外電磁輻射及其對人員和周邊公共區(qū)域環(huán)境的影響研究則相對較少。

本文第1部分介紹了我國某型中低速磁浮列車的主要電磁輻射源，并采用多線傳輸線方法MIL完成了數(shù)學(xué)建模和電磁仿真分析，第2部分給出了磁浮列車電磁輻射測試依據(jù)及其對外輻射的電磁環(huán)境控制限值，第3部分以我國正在運(yùn)營中的某典型磁懸浮列車為研究對象，開展了磁懸浮列車運(yùn)行過程中的電磁輻射環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測，并對測試結(jié)果分析和評估。第4部分得出相關(guān)結(jié)論。

表1 典型磁懸浮列車系統(tǒng)一覽表

1 建模和仿真

我國某型中低速磁浮列車（供電電壓25 kV，最高時(shí)速100 km）的主要電磁輻射源來自于單相交流電源系統(tǒng)和大功率AC-DC-AC逆變器、高壓異步直線電機(jī)以及大電流電力驅(qū)繞組、大功率牽引及控制系統(tǒng)。例如，大功率逆變器產(chǎn)生的強(qiáng)瞬態(tài)脈沖干擾可以傳導(dǎo)的形式注入到整個(gè)磁浮系統(tǒng)，將對后者功能性能產(chǎn)生較嚴(yán)重的安全性影響。上述在軌電力電氣設(shè)備的瞬態(tài)電流變化量是主要的傳導(dǎo)干擾源，將會形成對供電回路產(chǎn)生二次輻射，并以噪聲電流的形式在整個(gè)回路存在。

本文采用多線傳輸線方法對整個(gè)磁浮列車進(jìn)行電磁建模。具體來講，磁浮列車可作為一個(gè)集總網(wǎng)絡(luò)，其模型是通過沿線布置合適數(shù)量的集中電網(wǎng)來獲得。 在頻域中，每個(gè)截面可以方便地用鏈參數(shù)矩陣來描述，而連續(xù)兩個(gè)截面之間的互連則用定義每個(gè)特定集總網(wǎng)絡(luò)的電壓/電流輸入/輸出關(guān)系來描述。其多線傳輸線集總網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型如公式（1）所示[3]：

式中：

Vi,k、Ii,k—第k節(jié)輸入電壓和輸入電流；

Vo,k、Io,k—第k節(jié)輸出電壓和輸出電流矢量；

lk—距離；—鏈參數(shù)矩陣。

該矩陣的第k節(jié)集總參數(shù)的線性表達(dá)式如公式（2）所示：

式中：

Ai,k、Bi,k—輸入電流和輸入電壓矩陣；

Ao,k、Bo,k—輸出電流矩陣和輸出電壓矩陣；—源列矢量。

圖1為采用MTL方法[4]仿真計(jì)算的50～110 kHz頻段范圍內(nèi)，磁浮列車12 m處的輻射磁場仿真圖。由圖1可見，50～110 kHz頻率范圍內(nèi)，作為輻射源的磁浮列車的輻射磁場在-10～70 dBuA/m范圍內(nèi)，且磁場分布呈現(xiàn)時(shí)域周期性結(jié)構(gòu)變化，頻率越高，磁場分布重復(fù)頻率越高，持續(xù)時(shí)間越短（例如70 kHz,持續(xù)時(shí)間為20 s左右）。

圖1 磁浮列車輻射磁場仿真分布圖

2 電磁輻射測試依據(jù)及電磁環(huán)境控制限值

磁浮列車對外電磁輻射測試依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)主要是IEC 62236-2-2008Railway Applications—Electromagnetic Compatibility—Part 2: Emission of the Whole Railway System to the Outside World和GB/T 24338.2-2011 《軌道交通電磁兼容第2部分：整個(gè)軌道 系統(tǒng)對外界的發(fā)射 》以及GB/T 24338.3-2009 《軌道交通電磁兼容第3-1部分：機(jī)車車輛 列車和整車》[5-7]。

磁浮列車電磁環(huán)境控制限值主要參考IEEEStd-C95.1-2005、IEEE-Std-C95.6-2002、ICNIP-2010以 及GB8702-2014[8-12]。其 中，IEEE-Std-C95.1-2005和IEEE-Std-C95.6-2002IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields對公共區(qū)域電磁場最大允許暴露限值如表2所示。國際非電離防護(hù)委員會標(biāo)準(zhǔn)ICNIRP-2010Guidelines for limiting exposure to timevarying electric and magnetic fields，詳細(xì)規(guī)定了1 Hz～100 kHz和100 kHz～300 GHz頻段電場和磁場的暴露限值，如表3所示。GB 8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》主要關(guān)注的是電磁輻射環(huán)境對公共區(qū)域人體和周邊環(huán)境的積累效應(yīng)，相關(guān)限值如表4所示。

表2 IEEE C95.1-2005和IEEE C95.6-2002公共區(qū)域電磁場最大允許暴露限值

表3 ICNIRP-2010公共區(qū)域暴露限值

表4 GB 8702-2014公共暴露限值

3 磁浮列車電磁輻射測試驗(yàn)證及評估

3.1 測試內(nèi)容和監(jiān)測方法

如圖2所示，首先利用傳感器法測試無磁浮列車經(jīng)過時(shí)的電場和磁場，然后利用傳感器法測試有磁浮列車經(jīng)過時(shí)的電場和磁場。在傳感器法測試的基礎(chǔ)上，再利用天線法測試無磁浮列車經(jīng)過時(shí)的背景電場，最后利用天線法測試有磁浮列車經(jīng)過時(shí)的脈沖電場。傳感器法主要是測試場強(qiáng)的大致量級和保護(hù)測試接收機(jī)不致輸入過大而燒毀，天線法主要測試場強(qiáng)的準(zhǔn)確數(shù)值。圖中測試距離d選為距離磁浮列車車體5 m、10 m和20 m。

無車經(jīng)過時(shí)測試的電磁環(huán)境定義為本底電磁環(huán)境電平，有車經(jīng)過時(shí)測試的電磁環(huán)境定義為實(shí)測電磁環(huán)境電平。現(xiàn)場測試場景如圖3所示。

圖2 磁浮列車電磁輻射場測試方法示意圖

圖3 磁浮列車電磁輻射場現(xiàn)場測試場景

3.2 測試結(jié)果分析

3.2.1 低速行進(jìn)狀態(tài)

圖4(a)所示為磁浮列車低速進(jìn)出站監(jiān)測的磁場均方根值隨頻率及距離變化曲線。由圖可見，在1 Hz～100 kHz頻段內(nèi)，無磁浮列車經(jīng)過時(shí)，5 m、10 m、20 m處的磁場電磁環(huán)境即本底磁場電磁環(huán)境均在0.011 2 A/m即11.2 mA/m以下。有車經(jīng)過時(shí)，距離列車5m處的實(shí)測磁場均在0.088 A/m即88 mA/m以下；距離列車10 m米處的實(shí)測磁場均在0.046 A/m即46 mA/m以下；距離列車20 m處的實(shí)測磁場均在0.036 A/m即36 mA/m以下。另外，在10 kHz以內(nèi)，磁場隨著距離的增加而明顯減小；在10 ～100 kHz之間時(shí)，10 m處的實(shí)測綜合磁場已與本底環(huán)境電平趨于重合。

圖4(b)所示為磁浮列車低速行進(jìn)狀態(tài)下監(jiān)測的電場隨頻率及距離變化曲線。由圖可見，9 kHz～18 GHz頻段內(nèi)，5 m、10 m、20 m處的本底環(huán)境電場在20～103.4 dBuV/m之間，30 MHz～1 GHz頻段內(nèi)，實(shí)測電場值隨著頻率的增加而振蕩增加，說明該頻段內(nèi)，磁浮列車的用頻設(shè)備較多，頻譜特征明顯，27.096 MHz為磁浮列車典型頻譜特征頻點(diǎn)，該頻點(diǎn)處實(shí)測脈沖電場值比本底高34.2～46.6 dB，此外39 MHz、135 MHz、159 MHz、470.47 MHz均為典型頻譜特征頻點(diǎn)，各頻點(diǎn)實(shí)測脈沖電場值比本底高19～57.1 dB。1～18 GHz頻段內(nèi)，5 m、10 m、20 m處的實(shí)測脈沖電場基本重合。

圖4 磁浮列車低速行進(jìn)狀態(tài)下實(shí)測磁場及電場隨頻率及距離變化關(guān)系曲線

圖5 磁浮高速行進(jìn)狀態(tài)下實(shí)測磁場及電場隨頻率及距離變化關(guān)系曲線

3.2.3 磁浮列車典型頻譜（見圖6）

3.2.2 高速行進(jìn)狀態(tài)

由圖5(a)可見，在1 Hz～100 kHz頻段內(nèi)，無磁浮列車經(jīng)過時(shí)，5 m、10 m、20 m處的綜合磁場電磁環(huán)境均在0.021 6 A/m即21.6 mA/m以下。有車經(jīng)過時(shí)，距離列車5 m處的實(shí)測綜合磁場均在10.08 mA/m以下；距離列車10 m米處的實(shí)測綜合磁場均在14.8 mA/m以下；距離列車20 m處的實(shí)測綜合磁場均在30.56 mA/m以下。

圖5(b)可見，9 kHz～18 GHz頻段內(nèi)，5 m、10 m、20 m處的本底脈沖電場在12.6～92.9 dBuV/m之間，27 MHz～1 GHz頻段內(nèi)，實(shí)測脈沖電場值隨著頻率的增加而振蕩增加，說明該頻段內(nèi)，磁浮列車的用頻設(shè)備較多，頻譜特征較明顯；27.096 MHz和81.53 MHz為磁浮列車典型頻譜特征頻點(diǎn)，該兩頻點(diǎn)處實(shí)測脈沖電場值分別比本底高39.9～55.7 dB以及22.5～33.3 dB；此外433.6 MHz、470.47 MHz均為典型頻譜特征頻點(diǎn)，各頻點(diǎn)實(shí)測脈沖電場值比本底高22.5～52.8 dB。1～18 GHz頻段內(nèi)，5 m、10 m、20 m處的實(shí)測脈沖電場基本重合。

通過對磁浮列車在低速和高速狀態(tài)下的實(shí)測結(jié)果及其典型頻譜，可以獲知：

1）在1 Hz～100 kHz頻段內(nèi)，磁浮列車綜合磁場實(shí)測值在10 m距離處與無車經(jīng)過時(shí)本底電磁環(huán)境基本接近或在同一數(shù)量級，且均小于90 mA/m。

2）在9 kHz～18 GHz頻段內(nèi)，中低速磁浮列車脈沖電場實(shí)測值在10 m距離處與無車經(jīng)過時(shí)本底電磁環(huán)境基本接近趨于重合，且均小于110 dBuV/m。

圖6 磁浮列車典型頻譜特征

圖7 磁浮列車對外電磁輻射場與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值對比曲線

3.3 綜合評估

圖7為磁浮列車在不同距離處對外輻射的電磁場量值與IEEE C95.1/C95.6，ICNIRP-2010以及GB 8702-2014對應(yīng)頻段限值的對比曲線。由圖可見，磁浮列車對外電磁輻射量值遠(yuǎn)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值要求，具有約30 dB電磁安全裕量，對周邊環(huán)境和人員的影響極小。

另一方面,參考表2至表4中的限值結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，磁懸浮列車電磁環(huán)境可按照如下數(shù)學(xué)模型即公式（3）至公式（5）進(jìn)行評估。由數(shù)學(xué)模型計(jì)算可得，磁懸浮列車電磁環(huán)境滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

4 結(jié)論

本文采用多線傳輸線MTL方法，對磁浮列車電磁輻射場進(jìn)行了電磁建模與仿真分析，并基于IEC/IEEE和ICNIP標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場測試驗(yàn)證了其在不同運(yùn)行狀態(tài)下的電磁輻射場，開展電磁環(huán)境評估工作。研究表明：50～110 kHz,磁浮列車12 m處的輻射磁場呈周期性結(jié)構(gòu)分布，仿真的最大值為69.4 dBuA/m；1 Hz～120 kHz頻段內(nèi)，磁浮列車的輻射磁場小于90 mA/m（10～120 kHz時(shí)，實(shí)際測試61～69 dBuA/m）；在9 kHz～18 GHz頻段內(nèi)，磁浮列車的輻射電場均小于110 dBuV/m（0.316 V/m），磁浮列車對外電磁輻射量值比相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)限值至少低30 dB，對周邊環(huán)境和居民區(qū)的電磁輻射安全基本無影響。